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Die Erfindung betrifft einen Negativ-Immittanzwandler mit einem ersten,
eine erste Spule mit Mittenabgriff enthaltenden Transformator und einem zweiten, eine
zweite Spule mit Mittenabgriff enthaltenden Transformator, wobei ein erster Kontakt
der ersten Spule mit einem ersten Kontakt der zweiten Spule über ein erstes, einen
Steuereingang enthaltendes Verstärkerelement verbunden ist, ein zweiter Kontakt der
ersten Spule mit einem zweiten Kontakt der zweiten Spule über ein einen Steuereingang
enthaltendes zweites Verstarkerelement verbunden ist, und wobei die Mittenabgriffe der
ersten und der zweiten Spule jeweils mit einem Zuführpunkt des Wandlers verbunden
sind und der erste und der zweite Transformator miteinander mit Hilfe eines 180º-
Phasenschiebers gekoppelt sind.
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Negativ-Immittanzwandler werden in sogenannten Zweidrahtverstärkern
als Teil eines Fernmeldesystems verwendet. Solch ein Zweidrahtverstärker, auch
Negistor genannt, enthalt einen Negativ-Impedanzwandler für einen Negativ-
Immittanzwandler und einen Negativ-Immittanzwandler für einen Negativ-
Impedanzwandler. Der Negativ-Impedanzwandler wird mit der Leitung in Reihe und der
Negativ-Immittanzwandler mit der Leitung in Nebenschluß geschaltet. Die genannten
Negistoren werden in Ortskabeln verwendet, wenn der Teilnehmer mit der entfernten
Vermittlungsstelle mittels einer großen Leitungslänge verbunden ist. Diese Ortsleitungen
sind im allgemeinen keine Pupin-Kabel. Negistoren werden auch zwischen
beispielsweise einer Fernvermittlungsstelle und einer Knotenvermittlungstelle mit im
allgemeinen Pupin-Kabeln verwendet, und auch, wenn diese Verbindungsleitungen
durch lange Leitungen mit hoher Dämpfung verbunden sind.
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Ein Negistor muß in erster Linie im Sprachfrequenzband von 300 Hz -
3400 Hz verstärken und entzerren. Signale außerhalb dieses Bandbereichs dürfen
außerdem nicht mit mehr als einer geringen Dämpfung durchgelassen werden. Diese
Signale sind beispielsweise die Gleichstromversorgung des Fernsprechers, Zählimpulse
bei beispielsweise 50 Hz und 12 kHz oder 16 kHz, so daß der Negistor eine
einigermaßen reproduzierbare Signalübertragung zwischen 0 und 16 kHz garantieren
muß.
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Ein Negistor des genannten Typs wird beispielsweise in Philips
Telecommunication Review, Band 23, Nr. 1, Oktober 1961, S. 1-20, beschrieben. Auf
Seite 10 dieses Beitrags wird ein Beispiel für einen Negativ-Impedanzwandler
dargestellt, und auf Seite 11 dieses Beitrags ein Beispiel für einen
Negativ-Admittanzwandler. Der Entwurf dieser beiden Wandler ist im wesentlichen identisch. In dem
Negativ-Admittanzwandler ist die erste Spule des ersten Transformators mit der Leitung
gekoppelt und die zweite Spule des zweiten Transformators mit einer Abschlußimpedanz
abgeschlossen. In dem Negativ-Impedanzwandler ist die zweite Spule des zweiten
Transformators mit der Leitung verbunden und die erste Spule des ersten
Transformators ist mit einer zusätzlichen auf dem Transformator angebrachten Wicklung
gekoppelt, zwischen deren Kontakten die Abschlußimpedanz angeordnet ist.
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In den oben beschriebenen Negativ-Admittanzwandlern wird der
180º-Phasenschieber durch eine zusätzliche Wicklung gebildet, die an der ersten Spule
angebracht ist. Jeder der Kontakte dieser zusätzlichen Wicklung ist mit einem
Steuereingang eines der Verstärkerelemente verbunden. Die Verwendung dieser
zusätzlichen Wicklung hat den Nachteil, daß die gewünschte 180º-Phasendrehung
infolge des subidealen Verhaltens des ersten Transformators auf einen relativ schmalen
Frequenzbereich begrenzt ist. Dieses subideale Verhalten wird von der endlichen
Selbstinduktivität des Transformators, etwaigen parasitären Kapazitäten,
Wicklungswiderständen und Leckinduktivitäten verursacht.
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Die oben genannten Abweichungen als Folge des subidealen Verhaltens
zeigen sich im Sprachfrequenzband von 300 Hz - 3400 Hz und darüber, durch unter
anderem die nichtlineare Verzerrung, und außerhalb dieses Bereiches treten
Banddurchhänge in der Übertragungskennlinie, d. h. Dämpfungspeaks, unterhalb und
oberhalb dieses Bandbereichs im Zusammenhang mit den Abschlußimpedanzen der
Wandler auf. Außerdem sind diese Dämpfungspeaks wegen der Toleranzen in den
Elementen, die durch das Prinzip der Wandlung (Mitkopplung) sogar verstärkt werden,
nicht reproduzierbar. Dies bedeutet, daß die Frequenzen, bei denen die genannten
Dämpfungspeaks auftreten, großen Toleranzen unterliegen, so daß die Zählimpulse bei
beispielsweise 50 Hz oder 12 kHz nicht immer einwandfrei übertragen werden und
außerdem während des Gesprächs infolge ihres im Vergleich zur Sprache ziemlich
hohen Pegels zu hörbaren Verzerrungen führen.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Lesung im Hinblick auf die
genannten Nachteile zu verschaffen und ist dadurch gekennzeichnet, daß der
180º-Phasenschieber von einem Gleichspannungsdifferentialverstärker gebildet wird, dessen
einer Eingang mit einem Kontakt eines Spannungsteilers, der zwischen die ersten
Kontakte der ersten und der zweiten Spule geschaltet ist, verbunden ist, während dessen
anderer Eingang mit einem Kontakt eines Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen
die zweiten Kontakte der ersten und der zweiten Spule geschaltet ist, und wobei die
Steuereingänge des ersten und des zweiten Verstärkerelementes jeweils mit einem
Ausgang des Differentialverstarkers verbunden sind.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im
folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Negativ-Immittanzwandlers
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Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Wandlers
aus Fig. 1,
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Fig. 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines
Negativ-Impedanzwandlers,
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In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird ein
Negativ-Admittanzwandler für einen Negativ-Immittanzwandler dargestellt. In dieser Fig. 1
bezeichnet I den ersten Transformator mit einer ersten Spule 1 und zwei
Primärwicklungen 3 und 4. Die Kontakte 51 und 52 sind über eine kapazitive Impedanz
60 verbunden. Die Kontakte 50 und 53 sind mit den Mittenabgriffen e bzw. f der
Spulen 56 und 57 des Negativ-Impedanzwandlers nach Fig. 3 verbunden. Die
Primärwicklungen sind also effektiv mit der Leitung in Nebenschluß verbunden. Die
kapazitive Impedanz 60 wird gebraucht, um den Gleichstrom zu blockieren. Der erste
Kontakt 5 der ersten Spule 1 ist mit dem Kollektor des Leistungstransistors 10, der als
erstes Verstärkerelement wirkt, verbunden. Der erste Kontakt 5 der ersten Spule 1 ist
auch mit dem ersten Kontakt 7 der zweiten Spule des zweiten Transformators II über
den aus den Widerständen 16 und 17 gebildeten Spannungsteiler verbunden. Der
Emitter des Transistors 10 ist mit dem ersten Kontakt 7 der zweiten Spule über die
Impedanz 24 verbunden. Der zweite Kontakt 6 der ersten Spule 1 ist mit dem Kollektor
des Leistungstransistors 11, der als zweites Verstärkerelement wirkt, verbunden. Der
zweite Kontakt 6 der ersten Spule ist auch mit dem zweiten Kontakt 8 der zweiten Spule
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über einen aus den Widerständen 23 und 28 gebildeten Spannungsteiler verbunden.
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Der Emitter des Transistors 11 ist mit dem zweiten Kontakt 8 der zweiten Spule 2 über
die Impedanz 25 verbunden. Der Mittenabgriff 20 der ersten Spule 1 ist mit einem
Punkt mit positivem konstanten Potential verbunden, und der Mittenabgriff 21 der
zweiten Spule ist mit einem Punkt mit negativem konstanten Potential verbunden. Der
Knotenpunkt der Widerstände 16 und 17 ist mit dem Eingang 29 eines
Gleichstromdifferentialverstärkers 9 verbunden. Der Knotenpunkt der Widerstände 23 und 28
ist mit dem Eingang 30 des Differentialverstärkers 9 verbunden. Zwischen die Eingänge
29 und 30 des Differentialverstärkers 9 ist ein Kondensator geschaltet. Der Eingang 29
des Differentialverstärkers 9 ist mit dem Mittenabgriff 20 der ersten Spule 1 über einen
einstellbaren Widerstand 18 verbunden. Der Eingang 30 des Differentialverstärkers 9 ist
mit dem Mittenabgriff 20 der ersten Spule 1 über einen einstellbaren Widerstand 22
verbunden. Der Ausgang 31 des Differentialverstärkers 9 ist mit dem Steuereingang des
Transistors 10 verbunden. Der Ausgang 32 des Differentialverstärkers 9 ist mit dem
Steuereingang des Transistors 11 verbunden. Der zweite Transformator II enthält die in
Reihe geschalteten Primärwicklungen 56 und 57 und zwischen den Kontakten 33 und 34
die Abschlußimpedanz Z.
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Zur Vereinfachung werden die Auswirkungen der Widerstände 18 und
22, des Kondensators 19, der Impedanzen 24 und 25 und der Basis-Emitterspannungen
oder Transistoren 10 und 11 bei einer Erläuterung der Arbeitsweise des
Negativ-Impedanzwandlers anhand von Fig. 2 zunächst vernachlässigt. Die Wirkwiderstände
der Widerstände 16,17, 23 und 28 werden als gleich R gewählt. Es wird angenommen,
daß zwischen den Kontakten 5 und 6 der ersten Spule 1 des Transformators I eine
Spannung gleich U&sub1; anliegt und zwischen den Kontakten 7 und 8 der zweiten Spule des
zweiten Transformators II eine Spannung gleich U&sub2;. Die Spannung zwischen den
Ausgängen 31 und 32 des Differentialverstärkers 9 ist gleich U&sub2;, wenn die oben
genannten Effekte vernachlässigt werden. Wenn die Verstärkung des
Differentialverstärkers 9 gleich -A ist, wird die Spannung zwischen den Eingängen 29 und 30 des
Differentialverstärkers 9 gleich -U&sub2;/A. Diese Spannung ist bei genügend großem A
nahezu gleich 0. Das bedeutet, daß ein Strom i gleich U&sub2;/2R die Widerstände 17 und 28
durchquert. Da der Eingangsstrom des Differentialverstärkers 9 vernachlässigbar klein
ist, durchqueren diese Ströme 1 auch die Widerstände 16 und 23. Der Spannungsabfall
U(3) über den Widerstand 16 wird daher gleich 1/2U&sub2; und der Spannungsabfall U(4)
über den Widerstand 23 wird ebenfalls gleich 1/2U&sub2;. Da die Spannung zwischen den
Knotenpunkten 29 und 30 nahezu gleich 0 ist, wird U&sub1; gleich -U&sub2;. Wenn weiterhin
angenommen wird, daß das Wicklungsverhältnis n der beiden Transformatoren I und II
gleich 1 ist, und daß der Strom i< < I&sub1;, gelten die folgenden Beziehungen:
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Eine Kombination der Beziehungen (1) und (2) liefert, mit U&sub2;=-U&sub2;
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Die Verwendung des Differentialverstärkers 9 zusammen mit den
Widerständen 16, 17, 23 und 28 zum Erreichen der Phasendrehung von 180º zwischen
den Spannungen U&sub2; und U&sub1;, ist dadurch vorteilhaft, daß keine zusätzliche Wicklung auf
dem zweiten Transformator II erforderlich ist. Folglich können die beiden
Transformatoren I und II vollkommen identisch angeordnet werden. Zusätzlich zu dem
Vorteil einer besseren Impedanzwandlung und einer besseren Admittanzwandlung, hat
dies auch vom Fertigungsstandpunkt aus Vorteile, weil nur ein einziger
Transformatortyp erforderlich ist. Als Ergebnis der Rückkopplung mit Hilfe der
Widerstände 16,17 und 23 arbeitet der Wandler bis zu den Grenzen, bei denen er auf
vollen Spannungshub ausgesteuert ist, virtuell verzerrungsfrei, selbst für die aggressiven
Zählimpulse bei beispielsweise 25 oder 50 Hz. Weil die Frequenzkennlinie weniger von
dem subidealen Verhalten des Transformators abhängt, ist sie stark verbessert.
Außerhalb des Sprachfrequenzbandes von 300 Hz-3400 Hz gibt es eine gleichförmige
Abnahme der Verstärkung, ohne die ausgeprägten Dämpfungspeaks, die mit bekannten
Wandlern auftreten.
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Die Widerstände 18 und 22 sind dazwischengeschaltet, um dem Wandler
die richtigen Gleichstromwerte im Hinblick auf die bestmögliche Aussteuerung auf
vollen Spannungshub zu geben. Der Wirkwiderstand der Widerstände 18 und 22 wird so
gewählt, daß er nahezu gleich dem Wirkwiderstand der Widerstände 16 und 17 ist. Mit
dem Dazwischenschalten der Widerstände 18 und 22 wird die effektive Verstärkung des
Differentialverstärkers 9 ungefähr gleich -A/3. Die beiden Widerstände 18 und 22
können mit Hilfe eines Potentiometers geringfügig verändert werden, um den
Gleichspannungsoffset am Ausgang 31 und 32 zu korrigieren. Dieser Offset tritt
hauptsächlich als Folge der Toleranzen im Wicklungswiderstand des Transformators
auf, weil die größten Ströme die Leistungstransistoren 10 und 11 durchqueren.
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Um den gegenseitigen Einfluß des Differentialverstärkers und der
Leistungstransistoren 10 und 11 zu verringern, werden diese Transistoren vorzugsweise
als Darlingtonverstärker angeordnet.
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Der Kondensator 19 zwischen den Eingängen 29 und 30 des
Differentialverstärkers 9 ist dazwischengeschaltet, um die Negativ-Admittanzwandlung
für Frequenzen > 10 kHz aufzuheben. Der Wandler verhält sich bei diesen Frequenzen
wie ein Positiv-Admittanzwandler und neutralisiert das Verhalten der Transformatoren
bei diesen Frequenzen. Zusätzlich können, bei relativ hohen Frequenzen von 50 kHz-
100 kHz, schwache Instabilitäten unterdrückt werden, indem kleine Kondensatoren 26
und 27 zwischen den Kollektor und die Basis der Transistoren 10 und 11 geschaltet
werden.
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In der Ausführungsform wie in Fig. 3 wird ein
Negativ-Impedanzwandler für den Negativ-Immittanzwandler dargestellt. Die Struktur des Abschnitts
III ist, abgesehen davon, daß es sich um eine Spiegelung handelt, die gleiche wie die
des Negativ-Admittanzwandlers, wie er in Fig. 1 zwischen den gestrichelten Linien
dargestellt wird. Die Abschlußimpedanz Z ist zwischen den Kontakt 50 von Wicklung 3
und den Kontakt 53 der Wicklung 4 geschaltet. Der Kontakt 51 der Spule 3 und der
Kontakt 52 der Spule 4 sind untereinander verbunden. Der Kontakt 5 und der Kontakt 6
der ersten Spule des ersten Transformators 1 sind mit dem Abschnitt III so, wie in Fig.
1 dargestellt, verbunden. Die Linie b ist mit dem Kontakt 33 der Wicklung 56, die
einen Mittenabgriff auf dem Transformator II hat, verbunden. Die Linie a ist mit dem
Kontakt 34 der Wicklung 57, die einen Mittenabgriff f auf dem Transformator II hat,
verbunden. Die Mittenabgriffe e und f sind mit den Punkten e und f des
Negativ-Admittanzwandlers, so wie in Fig. 1 gezeigt, verbunden. Die Leitung d ist mit dem
Kontakt 54 der Wicklung 56 verbunden. Die Leitung c ist mit dem Kontakt 55 der
Wicklung 57 verbunden. Auf diese Weise wird der Negativ-Impedanzwandler effektiv
mit den Leitungen b und a bzw. c und d in Reihe geschaltet.
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Die Arbeitsweise des Abschnitts III ist genau die gleiche wie die
Arbeitsweise des Abschnitts III aus Fig. 1, so daß hier auch Beziehung 3 gilt. Die
Transformatoren I und II des Negativ-Impedanzwandlers wie in Fig. 3 sind vom
gleichen Typ wie die Transformatoren I und II des Negativ-Impedanzwandlers wie in
Fig. 1. Wenn ein Negistor mit Hilfe dieser Wandler konstruiert wird, kann ein
einziger Transformatortyp verwendet werden, was vom Fertigungsstandpunkt aus enorm
vorteilhaft ist.